† 교신저자, 한국철도기술연구원 E-mail : [email protected] * 한국철도기술연구원
바이모달 트램의 승차감 시험
Ride Comfort of the Bimodal Tram
장세기† 문경호* 김연수*
Seky Chang Kyung Ho Moon Yeon Su Kim
ABSTRACT
The bimodal tram was designed to drive on the dedicated track as well as on the public road. The position and speed are automatically controlled on the dedicated track by the onboard computer, whereas they are manually controlled by driver like motor vehicles on the public road. The ride comfort the passengers feel and the effect of the vibration generated during driving on the passenger's health, comfortableness and motion sickness were evaluated with driving the bimodal tram prototype in automatic and manual mode, respectively. The test was done in automatic mode on the test track with various load conditions while it was done in manual mode on the public road with empty load.
1. 서론 바이모달트램은 고무차륜을 사용하며 전용도로와 일반도로에서 주행이 가능하도록 설계되었다. 전용 도로에서는 입력된 프로그램에 따라 위치 및 속도가 자동 제어되지만 일반도로에서는 일반 차량처럼 운 전자에 의해 수동 제어된다. 바이모달 트램 시작차량을 시험선과 일반도로에서 자동운전과 수동운전으 로 운행하면서 승객이 느끼는 승차감, 차량에서 발생하는 진동이 승객의 건강, 안락도, 멀미에 미치는 영향을 평가하였다. 바이모달 트램 차량 주행시 차체바닥과 의자에서 측정한 진동가속도를 이용하여 승 차감 지수를 분석하였다. 차량의 운행장소, 중량조건, 운행방법에 따라 시험은 조건을 달리하면서 수행 되었다. 시험선에서는 자동운전으로 시험하였는데 하중은 공차, 50% 적차, 75% 적차로 하였다. 반면에 일반도로에서는 공차의 하중조건으로 시험하였다. 2. 시험방법 바이모달 트램 차량 주행시 차체바닥과 의자에서 측정한 진동가속도를 이용하여 승차감 지수를 분석 하였고, 또한 승객의 건강, 안락도, 멀미를 평가하였다. 승차감 시험과 진동피폭시험은 동시에 수행되어 측정된 동일한 진동가속도를 이용하여 분석되었다. 차량의 운행장소, 중량조건, 운행방법에 따라 승차감 및 진동시험은 다음과 같은 조건으로 분류되어 수행되었다. 1) 시험선-자동운전-공차 하중조건 2) 시험선-자동운전-50% 적차하중조건 3) 시험선-자동운전-75% 적차하중조건 4) 일반도로-수동운전-공차 하중조건 바이모달 트램의 승차감 및 진동시험은 일반도로와 시험선에서 각각 수행되었다. 일반도로에서는 수
동모드로 운전을 하였고 전용 시험선에서는 자동운전으로 차량을 운행하였다. 바이모달 트램용 시험선 은 직선구간이 짧아 속도별로는 5분 이상의 누적주행이 어렵고, 특히 40km/h 이상으로는 주행하기 곤란 하다. 따라서 차량을 자동운전으로 30분 이상 연속주행하면서 승객의 승차감과 진동피폭 영향도를 평가 하였다. 승차감 및 진동시험은 눈, 비, 바람 등의 영향을 최소화할 수 있도록 수행되었다. 바이모달 트램의 차량편성은 2량 1편성으로서, 2축과 3축은 차량 추진용 모터와 연결되는 동력축이다. 승차감 및 진동시험은 공차조건(단, 측정자 및 측정기자재 포함), 50% 적차조건, 75% 적차조건으로 수 행되었다. 시험선에서는 공차조건, 50% 적차조건, 75% 적차조건으로 시험이 수행되었고, 일반도로에서 는 안전상 공차조건 만으로 시험이 수행되었다. 또한 승차감 및 진동시험은 차량을 충분히 정비한 후에 수행되었고, 자동운전 운전패턴과 수동운전(주행속도는 최고속도(80km/h)까지 10km/h씩 증가)으로 모두 시험이 수행되었다. 승차감 및 진동시험을 위한 측정시스템은 진동가속도계를 이용하여 KS, UIC, ISO 등 국내외 관련 규 격을 참조하여 구성하였다. 진동가속도의 측정주파수 대역은 1.0 kHz 범위 내에서 시험환경에 맞도록 선택할 수 있게 하였다. 진동가속도계는 설치되는 실내바닥, 의자와의 공진이 발생하지 않도록 하였고, 국부적인 진동이 없도록 설치되었다. 또한 진동가속도계는 가능한 수평면에 부착하였고, 측정 중에는 진 동에 의해 움직이지 않도록 고정하였다. 승차감 및 진동시험용 진동가속도계는 Carriage 1의 차체 중앙의 차실바닥, 2축 상의 차체바닥, 차체 중앙부의 의자(의자부 실내바닥, 쿠션, 등받이), Carriage 3의 차체 중앙의 차실바닥, 차체 중앙부의 의자 (의자부 실내바닥, 쿠션, 등받이)에 각각 3방향에 설치되었다. Carriage 1과 3의 좌석의 경우는 인체더미 (체중 70kgf)를 제작․설치하여 차량에서 승객의 발바닥, 엉덩이, 등으로 전달되는 진동가속도계를 측정 하였다. 3. 시험결과 (1) 승차감 시험결과 각 위치별로 측정된 진동가속도 신호들에 대해 UIC 513 R에 규정된 주파수 가중함수를 이용하여 가 중화된 진동가속도를 계산하였다. 각 위치별․방향별 가중화된 진동가속도 신호에 대해 매 5초마다 실 효값(RMS)을 5분간 60개를 계산하였다. 이렇게 계산된 60개의 실효값 데이터에 대해 진동가속도 크기 를 가로축으로, 동일한 진동가속도 크기의 누적빈도를 세로축으로 한 누적빈도분포 그래프를 그린 후 승차감 지수를 계산하였다. UIC 513 R에서는 입석약식, 입석정식, 좌석정식의 3가지 승차감 지수에 대 해 정의하고 있다. 국내 도시철도차량 성능시험기준에서는 3가지 승차감지수 중에서 입석약식 만으로 차량의 승차감을 평가하고 있다 36∼46). 이번 시험평가에서는 차량의 실내바닥에서 측정된 진동가속도 만 을 이용한 입석약식과 입석정식에 대한 승차감 지수를 평가하였다. - 입석약식에 대한 승차감 지수
xp
yp
zp
식 (3.3.5-1)에서 진동가속도는 차실바닥 측정된 값이며 단위는 m/sec2이다.
xp : 가중값(Wd)을 준 x방향 누적 빈도 분포의 95%에 해당하는 진동가속도
yp : 가중값(Wd)을 준 y방향 누적 빈도 분포의 95%에 해당하는 진동가속도
zp : 가중값(Wd)을 준 z방향 누적 빈도 분포의 95%에 해당하는 진동가속도 - 입석정식에 대한 승차감 지수승차감 지수 평가구분
N < 1 매우 안락함 (very good comfort) 1 < N < 2 안락함 (good comfort) 2 < N < 4 보통 (moderate comfort) 4 < N < 5 안락하지 않음 (poor comfort)
N > 5 매우 안락하지 않음 (very poor comfort) 표 1. 승차감 지수 평가기준 그림 1. 일반도로 주행시 Carriage 3 차체바닥 중앙에서 분석된 승차감
․
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xp
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yp
zp
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yp
xp : 가중값(Wd)을 준 z방향 누적 빈도 분포 50%에 해당하는 진동가속도
yp : 가중값(Wd)을 준 y방향 누적 빈도 분포 50%에 해당하는 진동가속도
zp : 가중값(Wb)을 준 z방향 누적 빈도 분포 50%에 해당하는 진동가속도
yp : 가중값(Wd)을 준 y방향 누적 빈도 분포 95%에 해당하는 진동가속도 승차감 평가기준은 표 1과 같이 UIC 513 R에 제안되어 있다. UIC 513R에서 는 약식(simplified method)을 기준으로 교외용 철도차량(suburban)은 4.0, 일반 철도차량(conventional rolling stock) 3.0, 고급 철도차량(de-luxe rolling stock)은 2.0 미만으로 추천하고 있다. 국내 도시 철도차량 성능시험 기준과 도시철도 차 량 표준규격에서는 입석약식 기준 2.5 이 하(고무차륜형식 경량전철의 경우는 입석 약식 기준 2.3 이하)로 승차감을 평가하 고 있다. 철도차량과는 달리 버스의 승차감 평가기준에 대한 국내외 정보는 매우 찾기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 표 3.3.5-2와 같은 철도차량의 승차감 평가기준을 이용하여 바이모달 트램의 승차감을 평 가하였다. 그림 1은 공차하중 조건 하에서 바이모달 트램이 일반도로에서 수동운전으로 등속 운행할 때 Carriage 3의 차체바닥 중앙에서 분석된 입석 약식과 입석정식에 대 한 승차감 지수를 보여 준다. 입석정식과 입석 약식 모두 주행속도에 따라 증대되는 경향을 나타냈다. 입석약식의 승차감 지수는 80km/h 주행조건에서도 4.0 미 만을 나타냈고, 입석약 식의 승차감 지수는 3.5 미만으로 분포되었 다. 따라서 바이모달 트램 차량은 최고속도 로 주행하는 경우에도 입석약식과 입석정식 모두 표 1에서와 같이 보통 (moderate comfort) 수준의 승 차감 지수를 나타냈다.전체진동값 [m/s2] 승객 안락도
Less than 0.315 편안하다 (Not uncomfortable)
0.315∼0.63 약간 불편하다 (A little uncomfortable) 0.5∼1.0 다소 불편하다 (Fairly uncomfortable)
0.8∼1.6 불편하다 (Uncomfortable)
1.25∼2.5 매우 불편하다 (Very uncomfortable) Greater than 2 극히 불편하다 (Extremely uncomfortable)
표 2. 대중교통 분야에 대한 안락도 평가지침 그림 2. 일반도로 수동운전 시 Carriage 3 차체 바닥 중앙에서의 승객 안락도 그림 3. 일반도로 수동운전시 차량진동이 승객의 멀미에 대한 영향도 (2) 진동피폭 시험결과 차량에 승차한 승객의 안락도는 승객의 활동 (예를 들어, 읽기, 먹기, 쓰기, 잠자기 등), 그리고 많은 다른 인자 (소음, 온도, 습도, 광도, 천정높이, 환기 등)에 따라 달라질 수 있다. ISO 2631-1에서 대중교 통 분야에 대해 제안된 승객의 안락도에 대한 지침은 표 2와 같 다. 주행 중 차량 내에서 발생한 진동가속도가 승객의 건강, 안락 도, 멀미에 미치는 영향에 대한 평가기준은 승차감과는 달리 철 도차량 또는 버스에 대해서 찾기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 바이모달 트램 승객의 건강과 안 락도에 대해서는 ISO 2631-1에 서 제안한 건강지침 주의영역과 안락도 평가지침(표 2)을 기준으로 평가하였다. 그림 2는 공차하중 조건 하에서 바이모달 트램이 일반도로에서 수동운전으로 등속 운행할 때 Carriage 3의 차체바닥 중앙에서 분석된 승객의 안락도에 미치는 영향도를 5분씩 평가한 결과를 보여준 다. 차량속도 60km/h까지는 표 2의 2번째 등급인 ‘약간 불편하다(a little uncomfortable)', 70∼80km/h에 서는 3번째 등급인 '다소 불편하다 (fairy uncomfortable)'의 결과를 나타냈다. 그림 3은 공차하중 조건 하에서 바이모달 트램이 일반도로에서 수동운전으로 등속 운행할 때 Carriage 1 중앙의 좌석, Carriage 3 중앙의 좌석과 차체바닥 중앙에서 분석된 승객의 멀미에 대한 분석결과를 보여준다. 바이모달 트램에 서 발생되는 수직방향 진동가속도는 승객의 멀미에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다. 4. 결론 시험선과 일반도로에서 분석된 바이모달 트램 차량의 승차감 지수는 최고 운행속도(60∼70km/h) 하에 서 입석약식 기준 2.5 이하(고무차륜형식 경량전철은 입석약식 기준 2.3 이하)로 규정된 경량전철 차량 (철제차륜형식, 고무차륜형식, 모노레일, LIM, 노면전차)과 비교하면 높은 결과를 나타냈다. 그러나 전용 궤도에서만 운행되는 경량전철과는 달리 일반도로에서도 주행해야 하는 바이모달 트램의 특성(승차감 평가가 수행된 일반도로는 경량전철의 전용궤도보다는 노면조건이 열악한 것으로 판단)과 바이모달 트 램시스템(차량, 인프라 등)의 구축비용 등을 종합적으로 고려하여 바이모달 트램의 승차감 평가기준이 정립되어야 할 것으로 판단된다. 또한 향후, 보다 객관적이고 정확한 승차감 평가를 위해서는 장기간에
걸쳐 시험선과 일반도로에서 승차감 분석이 이뤄져야 할 것으로 판단된다. 현재까지 바이모달 트램, 경량전철, 버스 등과 같은 대중교통 차량에서 발생하는 진동가속도가 승객의 건강, 안락도, 멀미에 미치는 영향도에 대한 평가기준은 승차감과는 달리 철도차량 또는 버스에 대해서 찾기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 바이모달 트램 승객의 건강과 안락도에 대해서는 ISO 2631-1에서 제안한 건강지침 주의영역(그림 3.3.5-9)과 안락도 평가지침(표 3.3.5-4)을 기준으로 평가하였다. 본 연구 에서 분석되는 승객의 진동피폭(건강, 안락도, 멀미) 결과들은 향후 바이모달 트램 차량의 개선연구를 위한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 승차감과 더블어 보다 다양한 분석과 평가를 위해서 는 장기간에 걸쳐 시험선과 일반도로에서 승객의 진동피폭 분석이 이뤄져야 할 것으로 판단된다. 후기 본 연구는 국토해양부의 교통체계효율화사업을 통하여 수행되었습니다. 참고문헌 1. KS R 9216, "철도차량-승차감 측정 및 평가방법" 2. KS R 9160, "철도차량의 진동특성-측정방법"
3. UIC Code 513R, 1994, "Guidelines for Evaluating Passenger Comfort in Relation to Vibration in Railway Vehicles"
4. UIC Code 518, 1995, "Testing and Approval of Railway Vehicles from the point of View of their Dynamic Behavior Safety - Track Fatigue - Ride Quality"
5. European Committee for Standardization, CEN Draft prENV 12299, 1999, Railway Applications - Ride Comfort for Passengers - Measurement and Evaluation.
6. 도시철도차량 표준사양, 국토해양부 고시 제2005-220호 7. 도시철도차량 표준규격, 국토해양부 고시 제2010-48호
